摘  要： MQ編碼器對于無損的數(shù)據(jù)壓縮是一種非常有效的方法，它已被JPEG2000標準所采用。但該編碼算法復(fù)雜度高，執(zhí)行速度慢。文中提出了一種基于動態(tài)流水的高性能MQ編碼器的VLSI結(jié)構(gòu)。為了獲得高速處理能力，首先分析了JPEG2000標準中MQ編碼算法的軟件流程，并對其進行了相應(yīng)的修改以適應(yīng)硬件實現(xiàn)，然后采用了"動態(tài)流水"技術(shù)，可以根據(jù)變化的運算量來實時地安排流水操作。

　　隨著多媒體技術(shù)的不斷運用，圖像壓縮要求更高的性能和新的特征。為了滿足靜止圖像在特殊領(lǐng)域編碼的需求，JPEG2000作為一個新的標準處于不斷的發(fā)展中。它不僅希望提供優(yōu)于現(xiàn)行標準的失真率和個人圖像壓縮性能，而且還可以提供一些現(xiàn)行標準不能有效地實現(xiàn)甚至在很多情況下完全無法實現(xiàn)的功能和特性。這種新的標準更加注重圖像的可伸縮表述。所以就可以在任意給定的分辨率級別上來提供一個低質(zhì)量的圖像恢復(fù)，或者在要求的分辨率和信噪比的情況下提取圖像的部分區(qū)域。

　　JPEG2000是新一代的靜態(tài)圖像壓縮標準。與JPEG相比，JPEG2000不僅具有更為優(yōu)良的壓縮性能，而且提供了更多的新特性，例如支持質(zhì)量、分辨率的可伸縮性和感興趣域編碼等。JPEG2000編碼包括了小波變換、量化、位平面編碼和MQ編碼這4個主要的編碼流程。其中位平面編碼和MQ編碼是JPEG2000中復(fù)雜度較高的2個模塊。而當前的位平面編碼處理速度已經(jīng)遠超過MQ編碼的速度，也就是說MQ編碼器的編碼速率已經(jīng)成為了JPEG2000處理速度快慢的關(guān)鍵所在。

　　MQ編碼器是一種改進的自適應(yīng)算術(shù)編碼器。雖然MQ編碼器避免了乘法運算，但算法仍然比較復(fù)雜，同時采用串行處理方式的MQ編碼標準算法用硬件實現(xiàn)起來效率低下。而目前國內(nèi)外對MQ編碼硬件實現(xiàn)有不少有效的處理方法。本文對面向軟件的標準算法進行了改進以提高硬件實現(xiàn)的編碼速率：采用FIFO進行輸入輸出的緩存處理，優(yōu)化了狀態(tài)更新及A、C區(qū)間處理過程以提高處理速度，改進了字節(jié)輸出從而節(jié)約了資源面積。該設(shè)計方案采用了4級流水，能夠達到比較高的數(shù)據(jù)吞吐量。

　　1 MQ編碼器原理和算法流程

　　MQ編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。 編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1"還是"0";非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是"1"還是"0",通過"1"和"0"的二進制編碼來將采集來的物理信號轉(zhuǎn)換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。

　　MQ編碼器通過使用CX狀態(tài)表和概率估值表能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的功能。其中CX狀態(tài)表包括19個上下文，每個上下文都對應(yīng)著不同的狀態(tài)，每個狀態(tài)包括索引值（index）和大概率符號值（mps）。而概率估值表是一個可以對原始數(shù)據(jù)快速適應(yīng)的概率估計模型，包括47個索引值。每個索引都對應(yīng)著不同的狀態(tài)，這些狀態(tài)包括下一個狀態(tài)的索引值NMPS（6位）和NLPS（6位）、交換位SWITCH（1位）和小概率符號概率值Qe（15位）共28位。這2個表的具體內(nèi)容可以從參考文獻[2]中找到。

　　MQ編碼是基于自適應(yīng)的算術(shù)編碼改進而來的。而算術(shù)編碼的基本操作是遞歸地劃分當前的子區(qū)間：當編碼器接收到一個新的待壓縮碼，當前子區(qū)間就被劃分成2個子區(qū)間，被劃分的邊界更新成為新的區(qū)間的左邊界，也即左區(qū)間值，子區(qū)間的間隔大小也更新成為新區(qū)間的間隔大小。

　　因此，MQ編碼器采用一個A寄存器來存儲當前子區(qū)間的間隔大小，而用一個C寄存器來存儲當前子區(qū)間的左區(qū)間值。當MQ編碼器接收到輸入數(shù)據(jù)對（CX,D），通過概率估計表和狀態(tài)表找到相應(yīng)的Qe值，根據(jù)當前的情況來決定A和C如何進行更新，其中包括了A、C寄存器值與Qe值的加減操作及對A、C寄存器的左移重歸一化操作，同時伴隨著壓縮字節(jié)輸出等過程。

　　2 MQ編碼器的硬件設(shè)計

　　本文設(shè)計的MQ編碼器采用4級流水線，并使用了一些加速技術(shù)對關(guān)鍵部分進行了改進，改進后的MQ編碼器流水線總體架構(gòu)如圖1所示。

　　第1階段：用一個RAM對CX狀態(tài)進行存儲和更新。把從FIFO中輸出的（CX,D）數(shù)據(jù)對做為輸入，根據(jù)CX的值來得到概率估值表的索引和mps的值。然后由D值與mps值比較判斷是進行大概率編碼（mps）還是進行小概率編碼（lps）。要注意的是，要確保RAM和ROM輸出消耗的時間為1個時鐘，否則就達不到本設(shè)計的時序要求。一個解決的辦法是對下一個索引值加入一個超前狀態(tài)分析，這樣就可以在編碼同一個CX的數(shù)據(jù)時不必等待RAM的輸出而直接讀入由組合邏輯產(chǎn)生的下一個索引值，從而滿足了時序的要求。圖2所示為加入超前狀態(tài)分析的CX表。

　　第2階段：用一個ROM對概率估值表進行存儲和讀取。把從RAM中輸出的index和mps作為輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位由高到低排列。根據(jù)index的值導(dǎo)出相應(yīng)的Qe、NMPS、NLPS、SWITCH等值。本設(shè)計由于采用了超前狀態(tài)預(yù)測，沒必要把下的lps和mps的概率值加入到估值表中，而僅需添加前導(dǎo)零的個數(shù)，使得在第3階段發(fā)生重歸一化時能夠一步完成移位操作，避免了重復(fù)和循環(huán)過程，大大提高了編碼效率。具體的移位思想可以參看參考文獻[3].

　　第3階段：對A寄存器和C寄存器低17位進行更新處理。把28位的C寄存器分開處理可以有效縮短關(guān)鍵路徑，因此在這個階段先對C寄存器的低17位進行處理。為了減少路徑消耗，可以把A<2Qe替換成A[14:0]-Qe[14:0],看是否有借位產(chǎn)生來處理，把它作為是否要進行重歸一化的判斷條件，同時把A和C寄存器的加減更新判斷邏輯簡化成2個由于1個時鐘輸入1對數(shù)據(jù)對的關(guān)系，A、C寄存器將在1個時鐘周期后進行數(shù)據(jù)更新替換，所以A、C的數(shù)據(jù)處理過程必須要在1個時鐘周期內(nèi)完成，因此本設(shè)計不能對這段路徑進行流水線分割處理。圖3為對A寄存器處理的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)。C寄存器的處理結(jié)構(gòu)和A類似。

　　第4階段：Chigh的處理和字節(jié)輸出。按照標準的字節(jié)輸出算法流程，需要1個緩沖寄存器B和1個減法計數(shù)器來輔助處理：先把高8位賦給B寄存器，看其值是否是0xFF和有沒有進位位產(chǎn)生。由于原算法加入了3位間隔位來限制輸出值的范圍，為了符合標準，至少要左移19（即8+3+8）位才輸出1個字節(jié)，同理，至少左移27位才輸出2個字節(jié)，而小于19位的則不輸出字節(jié)，處理好的數(shù)據(jù)全部放到剩余的數(shù)據(jù)存儲器bitbuf中去。而MQ編碼器的輸出方式是增量輸出的，因此可以把要左移處理的數(shù)據(jù)與上剩余的數(shù)據(jù)進行合并，這與標準算法的思想是完全一致的。

　　首先把tempC中的數(shù)據(jù)進行掩膜處理得到包含左移數(shù)據(jù)位的Cmask,同時對Cmask進行左移17位，使Cresult的位數(shù)和augment的位數(shù)相同（augment為34位），再對其進行右移一定位數(shù)，使左移數(shù)據(jù)能夠正確地合并到編碼數(shù)據(jù)中去。Cresult可以表示為：

　　Cresult={Cmask,17{1'b0}}》CT-1

　　其中CT為一個5位的加法計數(shù)器，它對當前剩余的數(shù)據(jù)進行位數(shù)計數(shù)。為了減少路徑開銷，可以把Cresult改成：

　　Cresult={Cmask,18{1'b0}}》CT

　　由于剩余的數(shù)據(jù)位多為18位，因此bitbuf采用一個18位的寄存器作為處理空間?？梢赃@樣把左移數(shù)據(jù)合并到數(shù)據(jù)流中：

　　augment[33:16]=bitbuf+Cresult[33:16]

　　augment[15:0]=Cresult[15:0]

　　這是因為僅有高18位的Cresult需要進行相加，而后16位只進行簡單的復(fù)制即可。這樣做就可以不必考慮進位位的值及緩沖值B加1后是否需要進行位填充這幾個因素，可以在一個時鐘周期內(nèi)一步到位地進行字節(jié)輸出。同時，為了與標準輸出一致，把CT（5位）的初始值設(shè)為-1,即為11111.圖4為改進的字節(jié)輸出的bitbuf更新處理部分，圖5為字節(jié)輸出的計數(shù)更新處理部分。

　　，由于輸出的字節(jié)數(shù)可能為0、1、2這3種情況，有必要對輸出數(shù)據(jù)進行緩沖，因此需要在添加一個FIFO對輸出的數(shù)據(jù)進行緩沖。

　　3 實驗結(jié)果和性能比較

　　本文的MQ編碼器采用Verilog語言進行RTL級描述，在Modelsim-Altera軟件下進行仿真，仿真結(jié)果和標準算法的計算結(jié)果一致，如圖6所示。在QuartusII中選用器件EP2S60F67214對代碼進行綜合、布局布線及時序分析。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計結(jié)構(gòu)的時鐘頻率可達65.19 MHz,吞吐量可達65.19 MCxD/s.與參考文獻[5]中的方案的比較如表1所示。表2所示為MQ編碼器的資源使用情況。

　　結(jié)果顯示，本設(shè)計占用資源很少的情況下，在時鐘頻率上不及參考文獻[5],因為本設(shè)計結(jié)構(gòu)為了節(jié)省時鐘周期在關(guān)鍵路徑上沒有采用流水線分割，但在整體的處理速度上有較大的改進，可以滿足硬件高速編碼要求。

　　本文針對JPEG2000MQ編碼器的硬件實現(xiàn)，提出了一種4級流水的設(shè)計方案。對MQ編碼器的原理和算法流程進行了分析，采用超前狀態(tài)分析避免了時序上的沖突，同時優(yōu)化了條件判斷邏輯以及改進了字節(jié)輸出的處理結(jié)構(gòu)，減少了路徑的開銷。終通過Aletra的FPGA的驗證，處理速度可達65.19 MCxD/s.

參考文獻:

[1]. mps datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/mps_2428474.html.
[2]. ROM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ROM_1188413.html.